專利名稱：基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)電裝置，具體是一種基于壓電晶體 頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著集成電路技術(shù)和微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的不斷發(fā)展， 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及便攜式微電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，目前微器件的電源供 給主要是靠化學(xué)電池，利用微型化學(xué)電池供電存在一個(gè)明顯的不足就是電池總能 量有限，使用壽命短，但隨著節(jié)點(diǎn)體積減小和使用數(shù)量迅速增加，更換大量的耗 盡電池變得非常困難，微機(jī)電系統(tǒng)由于具有體積小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛 的應(yīng)用，因此利用微機(jī)電系統(tǒng)來進(jìn)行發(fā)電具有廣泛的應(yīng)用前景。
如果能夠利用自然界的振動來產(chǎn)生器件工作的電量，那將使得能量來源極 為廣泛，目前主要有三種能量轉(zhuǎn)換形式可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動能到電能的轉(zhuǎn)換，即 壓電轉(zhuǎn)換、電磁轉(zhuǎn)換和靜電轉(zhuǎn)換。目前自然界中的振動多為低頻振動，要想利用 這些振動來產(chǎn)生電力，有必須把低頻振動轉(zhuǎn)化為高頻振動來提高轉(zhuǎn)換利用效率。
通過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利授權(quán)公告號CN 2505614Y，公開 了一種基于電磁轉(zhuǎn)換的振動發(fā)電裝置，此裝置直接利用自然界的振動來發(fā)電，然 而自然界的振動多為低頻振動，要想得到較高的發(fā)電效率，需要利用必要的頻率 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來升高頻率，此外基于電磁轉(zhuǎn)換的發(fā)電裝置具有輸出電壓低、兼容性差、 存在電磁干擾等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 的微型發(fā)電裝置，具有輸出電壓高、轉(zhuǎn)換密度高、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的突出優(yōu) 點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括基體、頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和 一組或多組發(fā)電機(jī)構(gòu)，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的頂部，發(fā)電機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的內(nèi)部并與基體相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)構(gòu)相互平行。 所述的基體為無頂矩形體結(jié)構(gòu)；
所述的頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括上層平面彈簧、上表面永磁體、永磁體支撐平 臺和下表面永磁體，其中上層平面彈簧的兩端分別連接基體和頂部和永磁體支 撐平臺，上表面永磁體和下表面永磁體分別位于永磁體支撐平臺的上下兩側(cè)并在 豎直方向上下振動。
所述的發(fā)電機(jī)構(gòu)包括壓電材料、金屬電極、彈性支撐層和軟磁金屬層， 其中彈性支撐層的一端固定設(shè)置于基體內(nèi)部，彈性支撐層的另一端的上表面設(shè) 有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電極和彈性支撐層固定連接。
所述的該軟磁金屬層的位置在下表面永磁體的豎直方向的投影范圍內(nèi)，且 軟磁金屬層的豎直方向有效面積小于等于下表面永磁體的豎直方向有效面積。
本發(fā)明通過頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)能有效地利用自然界中的低頻振動能量，由上層 平面彈簧和永磁體組成的結(jié)構(gòu)在受到外界振動特別是垂直于彈簧所在的平面的
振動作用時(shí)，永磁體將會產(chǎn)生振動，永磁體與彈性支撐層上的軟磁金屬層材料具 有相互之間的吸引力，因而永磁體的振動可以帶動下面的軟磁金屬層材料的振 動，軟磁金屬層材料與彈性支撐層連為一體，因而彈性支撐層也隨之振動，并且 彈性支撐層有更高的共振頻率，因此實(shí)現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換的目的；而當(dāng)彈性支撐層上 下往復(fù)振動時(shí)，其表面的壓電材料層也將不斷的受到壓縮或拉伸，根據(jù)材料的正 壓電效應(yīng)，兩個(gè)金屬電極上不斷的吸收或釋放電性相反的電荷，接入外電路時(shí)， 自由釋放電荷在電路中不停的往復(fù)運(yùn)動形成電流，從而達(dá)到了發(fā)電的目的。
本發(fā)明利用壓電材料的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生電力，相對于利用電磁方式發(fā)電， 具有輸出電壓高、能量密度高、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。


圖l為本發(fā)明側(cè)面剖視圖。
圖2為本發(fā)明俯視圖。
圖3為發(fā)電機(jī)構(gòu)俯視其中a為實(shí)施例l示意圖，b為實(shí)施例2示意圖，C為實(shí)施例3示意圖。 圖4為實(shí)施例2示意其中a為側(cè)面剖視圖，b為發(fā)電機(jī)構(gòu)俯視圖。圖5為實(shí)施例3示意其中a為側(cè)面剖視圖，b為發(fā)電機(jī)構(gòu)俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖l、圖2和圖3所示，本實(shí)施例包括基體l、頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和一組
發(fā)電機(jī)構(gòu)3，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2固定設(shè)置于基體1的頂部，發(fā)電機(jī)構(gòu)3固定 設(shè)置于基體1的內(nèi)部并與基體1相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和發(fā)電機(jī)構(gòu)3相互平行。
所述的基體1為無頂矩形體結(jié)構(gòu)，采用鋁材料制作，其中底面為正方形，邊
長為3毫米，高度為1.75毫米，基體厚度為200微米；
如圖1和圖2所示，所述的頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2包括四根上層平面彈簧4、上 表面永磁體5、永磁體支撐平臺6和下表面永磁體7，其中四根上層平面彈簧 4呈中心對稱的S型結(jié)構(gòu)，該上層平面彈簧4的兩端分別連接基體1和頂部和永 磁體支撐平臺6，上表面永磁體5和下表面永磁體7分別位于永磁體支撐平臺6 的上下兩側(cè)并在豎直方向上下振動。
所述的上層平面彈簧4的厚度為15微米，寬度為200微米。
所述的上表面永磁體5以及下表面永磁體7均為圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑為1. 2 毫米，高度為250微米。
所述的永磁體支撐平臺6的直徑大于等于上表面永磁體5或下表面永磁體7 的半徑，該永磁體支撐平臺6的厚度與上層平面彈簧4的厚度相同，為15微米， 為玻璃制成。
如圖3所示，所述的發(fā)電機(jī)構(gòu)3包括軟磁金屬層8、壓電材料9、金屬電 極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11的一端固定設(shè)置于基體1內(nèi)部， 彈性支撐層11的另一端的上表面設(shè)有軟磁金屬層8,壓電材料9的上下表面分 別與金屬電極IO和彈性支撐層11固定連接，壓電材料9的側(cè)面與基體1的側(cè)面 的垂直間距為100微米，壓電材料9的側(cè)面與軟磁金屬層8側(cè)面的垂直間距為 100微米。所述的軟磁金屬層8為長方體結(jié)構(gòu)，長寬都為300微米，厚度為40微米， 采用金屬材料鎳制成，該軟磁金屬層8的位置在下表面永磁體7的豎直方向的投 影范圍內(nèi)，且軟磁金屬層8的豎直方向有效面積小于下表面永磁體7的豎直方向 有效面積。
所述的壓電材料9的長度為1毫米，寬度為300微米，厚度為40微米，采 用鋯鈦酸鉛制成。
所述的金屬電極10的厚度為30微米，采用Ti金屬薄膜制成。 所述的彈性支撐層11為長方體結(jié)構(gòu)，其尺寸為1. 5毫米*300微米*40微米， 該彈性支撐層11為金屬材料Pt制成。
所述的彈性支撐層11上設(shè)有直徑為20微米的阻尼孔12以減小空氣阻力。 本實(shí)施例的工作過程如下由上層平面彈簧4和上表面永磁體5和下表面永 磁體7組成的結(jié)構(gòu)在受到外界振動特別是垂直于彈簧所在的平面的振動作用時(shí)， 上表面永磁體5和下表面永磁體7會發(fā)生振動，下表面永磁體7吸引下面的軟磁 金屬層8，從而上表面永磁體5和下表面永磁體7的振動可以帶動下面的軟磁金 屬層8的振動，軟磁金屬層8與彈性支撐層11相連接，從而導(dǎo)致了彈性支撐層 ll的振動，彈性支撐層11的共振頻率更高，因此可以達(dá)到頻率轉(zhuǎn)換的目的，彈 性支撐層11的振動能帶動壓電材料9的拉伸或壓縮，根據(jù)材料的正壓電效應(yīng)， 金屬電極10與彈性支撐層11不斷的吸收或釋放電性相反的電荷，接入外電路時(shí)， 自由釋放電荷在電路中不停的往復(fù)運(yùn)動形成交流電流，從而達(dá)到了發(fā)電的目的。 實(shí)施例2
如圖4a和4b所示，本實(shí)施例包括基體1、頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和4組相同結(jié) 構(gòu)的發(fā)電機(jī)構(gòu)3，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2固定設(shè)置于基體1的頂部，4組發(fā)電機(jī) 構(gòu)3固定設(shè)置于基體1的內(nèi)部四個(gè)側(cè)面并與基體1相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和發(fā) 電機(jī)構(gòu)3相互平行。
本實(shí)施例中的4組發(fā)電機(jī)構(gòu)3與實(shí)施例1中相同，均包括軟磁金屬層8、 壓電材料9、金屬電極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11的一端固定 設(shè)置于基體1內(nèi)部，彈性支撐層11的另一端的上表面設(shè)有軟磁金屬層8，壓電 材料9的上下表面分別與金屬電極10和彈性支撐層11固定連接，壓電材料9的 側(cè)面與基體1的側(cè)面的垂直間距為100微米，壓電材料9的側(cè)面與軟磁金屬層8側(cè)面的垂直間距為100微米。 實(shí)施例3
如圖5a和圖5b所示，本實(shí)施例包括基體1、頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和1組發(fā)電 機(jī)構(gòu)3，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2固定設(shè)置于基體1的頂部，4組發(fā)電機(jī)構(gòu)3固定 設(shè)置于基體1的內(nèi)部四個(gè)側(cè)面并與基體1相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2和發(fā)電機(jī)構(gòu)3 相互平行。
如圖5b所示，本實(shí)施例中的發(fā)電機(jī)構(gòu)3包括軟磁金屬層8、壓電材料9、 金屬電極10以及彈性支撐層11，其中彈性支撐層11為萬字型結(jié)構(gòu)，彈性支 撐層11的末端固定設(shè)置于基體1內(nèi)部，彈性支撐層11的中心的上表面設(shè)有軟磁 金屬層8，壓電材料9的上下表面分別與金屬電極IO和彈性支撐層11固定連接， 壓電材料9的側(cè)面與基體1的側(cè)面的垂直間距為100微米，壓電材料9的側(cè)面與 軟磁金屬層8側(cè)面的垂直間距為100微米。
所述的軟磁金屬層8為長方體結(jié)構(gòu)，該軟磁金屬層8的位置在下表面永磁體 7的豎直方向的投影范圍內(nèi)，且其豎直方向有效面積與下表面永磁體7的豎直方 向有效面積相等。
權(quán)利要求
1、一種基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，包括基體和頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括一組或多組發(fā)電機(jī)構(gòu)，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的頂部，發(fā)電機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的內(nèi)部并與基體相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)構(gòu)相互平行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，其 特征是，所述的發(fā)電機(jī)構(gòu)包括壓電材料、金屬電極、彈性支撐層和軟磁金屬層， 其中彈性支撐層的一端固定設(shè)置于基體內(nèi)部，彈性支撐層的另一端的上表面設(shè) 有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電極和彈性支撐層固定連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，其 特征是，所述的發(fā)電機(jī)構(gòu)包括軟磁金屬層、壓電材料、金屬電極以及彈性支撐 層，其中彈性支撐層為萬字型結(jié)構(gòu)，彈性支撐層的末端固定設(shè)置于基體內(nèi)部， 彈性支撐層的中心的上表面設(shè)有軟磁金屬層，壓電材料的上下表面分別與金屬電 極和彈性支撐層固定連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電 裝置，其特征是，所述的基體為無頂矩形體結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，其 特征是，所述的頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括上層平面彈簧、上表面永磁體、永磁體支撐 平臺和下表面永磁體，其中上層平面彈簧的兩端分別連接基體和頂部和永磁體 支撐平臺，上表面永磁體和下表面永磁體分別位于永磁體支撐平臺的上下兩側(cè)并 在豎直方向上下振動。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置， 其特征是，所述的軟磁金屬層的位置在下表面永磁體的豎直方向的投影范圍內(nèi)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，其特征是，所述的軟磁金屬層的豎直方向有效面積小于等于下表面永磁體的豎直方向有效面積。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置， 其特征是，所述的壓電材料的側(cè)面與基體的側(cè)面的垂直間距為100微米。
9、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置， 其特征是，所述的壓電材料的側(cè)面與軟磁金屬層8側(cè)面的垂直間距為100微米。
全文摘要
一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的基于壓電晶體頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的微型發(fā)電裝置，包括基體、頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及一組或多組發(fā)電機(jī)構(gòu)，其中頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的頂部，發(fā)電機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于基體的內(nèi)部并與基體相接觸，頻率轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)構(gòu)相互平行。本發(fā)明利用壓電材料的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生電力，相對于利用電磁方式發(fā)電，具有輸出電壓高、能量密度高、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02N2/18GK101621258SQ20091005596
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者武 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 奎 秦, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)